Tek-yönlü vana

Tek-yönlü vana

Bu paradoksu çözmek için nasıl bir yöntem uygulamalıyız? Maxwell'in cini kutunun entropisini düşürebilir mi? Eğer gerçekten düşürebiliyorsa İkinci Yasa'yı nasıl kurtaracağız? Gelin bu sorulara önce bir fizikçi gibi yaklaşalım: soru için kilit önemi olmayan ayrıntıların hepsini atalım -bu örnekte cini, aynı işi yapabilecek mekanik bir düzenekle değiştirelim. Cinin davranışını sergileyebilecek mekanik bir işlem var mı? Cinin bir bakıma tek-yönlü bir vana gibi davrandığını söyleyebiliriz.

O zaman acaba kutunun iki bölmesi arasında bir dengesizlik oluşturarak entropiyi düşürecek, böylece enerji elde etmemizi sağlayacak bir vana yapılabilir mi buna bakmalıyız. Gerçi dikkatli bir incelemeye daha baş- lamadan bile, böyle bir olasılığın pek gerçekçi olmayacağını tahmin ediyorsunuzdur. Sonuçta eğer bu mümkün olsaydı dünyanın enerji sorunu da kalmazdı. Demek ki sırf buna bakarak bile bunun uzak bir olasılık olduğunu söyleyebiliriz. Yine de, tek-yönlü vana kullanarak dengedeki sistemlerden enerji elde edemeyeceğimizden nasıl emin olabiliriz? Belki İkinci Yasa o kadar da dokunulmaz değildir. Sonuçta Einstein ortaya çıkıp da Genel Görelilik Kuramı'yla daha kesin ve kökten değişik bir resim sunmadan önce, herkes Newton'un yerçekim yasasının kusursuz olduğuna inanmıyor muydu? Termodinamiğin İkinci Yasası'nda da buna benzer gizli bir boşluk olamaz mı? Belki de günün birinde zekası. cesareti ve hayal gücü yeterince yüksek biri ortaya çıkıp daha iyi bir kuram sunacaktır, olamaz mı? Cevap maalesef hayır. Newton'un yasası, bulduğu matematiksel bir formüle dayanır. Bu formül ise doğada gözlenen bir olguyu -cisimlerin kütlelerine ve birbirlerinden uzaklıklarına bağlı olarak, aralarında oluşan çekim kuvvetini- açıklar. Einstein bu formülün yanlış olmasa da kaba olduğunu gösterdi; kütleçekimini uzay ve zamanın eğriliğiyle çok daha derin, çok daha doğru (ve ne yazık ki çok daha karmaşık matematik içeren) bir şekilde açıklamak mümkündü.

Termodinamiğin İkinci Yasası'n da ise durum farklıdır. Gözlemlerle bulunmuş da olsa, soyut istatistik ve mantıkla aynı sonuca varılabilir. Günümüzde tüm gözlemlerden daha güçlü ve kesin bir temel üzerine oturtulmuştur. Hatta bizzat Einstein, "asla yıkılamayacağına ikna olduğum evrensel çaptaki tek fiziksel kuram" diye yazmıştır. Gelin Maxwell'in cininin basitleştirilmiş halini kurup neler olduğuna bakalım. Kutunun iki yanı arasında yavaşça ve kendiliğinden oluşabilecek herhangi bir "dengesizliğin" entropinin düşmesi anlamına geleceğini kabul ederseniz, o zaman sıcaklık farkı koşulunu basınç farkı koşuluyla değiştirmemize itiraz etmezsiniz. Sonuçta bu durumuda faydalı iş yapmak için (birazdan göreceğimiz üzere) kullanabiliriz. Ayrıca basınçların farklı olduğu durum, her iki tarafın eşit basınçta olduğu duruma göre daha düşük-entropiye sahiptir. Yalnız bu durumda odacıklar farklı hızlarda moleküller değil, farklı miktarda molekül içerirler. İçinde daha çok molekül olan tarafın basıncı daha yüksek olur. Moleküler boyutta basınçtan kastımız, odacığın duvarlarına çarpan molekül sayısıdır. Basınç farkının faydalı iş yapmada nasıl kullanılabileceğini görmek için iki odacık arasındaki bölmeyi elimizle açtığımızı düşünün. Eğer bir tarafın basıncı daha fazlayla, basıncı dengelemek için hava bir taraftan öbürüne doğru hızla akacaktır (bu arada entropi de artar). Bu hava akışı faydalı iş yapmak için kullanılabilir. Örneğin bir hava türbinini döndürerek elektrik üretilebilir. Demek ki bu basınç farkı, enerji depolamakla aynı şey; tıpkı kurmalı bir oyuncağı kurmak veya bir pili şarj etmek gibi. Böyle bir şeyin kendiliğinden olması, İkinci Yasa'nın çiğnenmesi anlamına gelir.

Böyle bir düzenekte kullanabileceğimiz, tek-yönlü vana görevi görecek en basit şey, bölmeler arasına konacak tek yöne açılan bir kanatlı kapı olabilir; soldan gelen moleküller çarpınca açılır ve molekülleri karşıya geçirir, ama geçtikten sonra yayı sayesinde hemen geri kapanır. Sağdan çarpan moleküllerin tek etkisi ittirip daha da sıkı kapanmasını sağlamak olur. Ne yazık ki böyle bir düzenekten hayır gelmez, çünkü iki odacık arasında en ufak bir basınç farkı oluştuğunda, soldan gelip çarpan moleküllerin basıncı sağ tarafın basıncını alt etmeye yetmez ve kapı kapalı kalır. Bu noktada şöyle düşünüyor olabilirsiniz: Bu düzeneğın işe yaramaz hale gelmesi için iki odacık arasında, düşük basınçlı sol odacıktan gelen moleküllerin kapıyı açamayacağı kadar basınç farkı oluşması gerekir. İlk birkaç hızlı molekül karşıya geçip de basınç farkı oluşturmaya başlayana dek, kısa bir süreliğine de olsa düzenek işlevini gerçekleştirir. O zaman,,,,,daİkinci Yasa çiğnenmiş olur. En ufak bir basıncın serbest bırakılmas'r bile küçük bir miktar elektrik üretecek kadar türbini döndürecektir. Bu süreç azar azar elektrik üretmek için durmadan baştan tekrarlanabileceğine göre, İkinci Yasanın başı belada demektir. Bu beladan kurtulmak için neden en ufak bir basınç farkının bile oluşamayacağını anlamak zorundayız.

Şu ana kadar, trilyonlarca molekülden (veya her neyden yapıldıysa ondan) oluşan kapakçığı. tek tek hava moleküllerinin açabildiğini varsaydık. Gerçekteyse, madem olaya havadaki molekülleri göz önüne alacak kadar yakından bakıyoruz, kapıya da öyle bakmalıyız. Ve o kadar yakından bakarsak, kapakçığı oluşturan moleküllerin de gelişigüzel titreşip sallandığını görürüz. Sol taraftan kapakçığa çarpıp· açılmasına neden olan tek bir hızlı molekül bile enerjisinin bir kısmını kapıdaki moleküllere verir; böylece bu moleküller daha çok titreşir ve o arada yanlış yönde giden başka bir molekülün geçmesine tam yetecek kadar bir süreliğine kapının açılıp kapanmasına neden olur. Tabii mutlaka bire bir değişim olacak diye bir şey yok, ama sonuçta her iki taraftan bombardıman altında tutulan kapı, moleküler düzeyde sürekli titreşir ve asla tek-yönlü bir vana gibi çalışmaz.

Basınç yerine sıcaklık farkı oluştuğu duruma bakarsak yine aynı mantığın yürütülebileceğini görürüz. Isı dediğimiz şey aslında moleküllerin titreşmesinden başka bir şey değildir; moleküller çarpıştığı zaman birinden diğerine aktarılabilir. Bu durum sadece havadaki moleküller için değil, kapakçıktaki moleküller için de geçerlidir. Dolayısıyla ne zaman sol taraftan gelen hızlı bir molekül kapıya çarpıp açsa, enerjisinin bir kısmını kapının moleküllerine aktarır ve daha çok titreşmelerine neden olur. Bu enerji (veya ısı), sol odacıkta kalan diğer hava moleküllerine daha sonra geri aktarılacaktır. Böylece hızlı molekülün enerjisinin bir kısmı, terk ettiği odacığa geri dönmüş olur. Giderken sağ odacığa yanında götürdüğü geri kalan enerji ise, kapıyı sağ taraftan çarptıkça önünde sonunda kapıya aktarılır ve oradan sol tarafa geri geçer. Böylece sağ tarafta ne kadar hızlı molekül varsa sol tarafta da o kadar hızlı molekül olur. Buradan çıkan ders şu: yalnızca tek bir yönden gelen moleküllere tepki vererek tek-yönlü vana görevi gören kapakçığın kendisi, enerji aktarımı sürecininin dışında tutulamaz. Eğer tek bir moleküle tepki gösterebilecek kadar hassassa, bu hassasiyeti o molekülden etkilenmesine neden olur: Bu yüzden odacıklar arasındaki bir yalıtkan gibi davranamaz.

Hiç yorum yok:

Yorum Gönder